DE3203911A1 - Verfahren zur erhoehung der maximaldrehzahl einer synchronmaschine bei vorgegebener erregerfeldstaerke und klemmspannung und schaltungsanordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 82 P 3 0 2 5 DE

Verfahren zur Erhöhung der Maximaldreh^öhl einer Synchronmaschine bei vorgegebener Erregerfeldstärke und Klemmenspannung und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Maximaldrehzahl einer Synchronmaschine mit konstanter Erregerfeldstärke mit einem vorgeschalteten Stromrichter, dem ein Wirkstrom-Sollwert vorgegeben wird, dessen Phasenlage in Abhängigkeit von der Lage des Rotors der Synchronmaschine geregelt wird und dessen Amplitude in Abhängigkeit von einem Drehzahl-Sollwert geregelt wird.

Stromrichter der genannten Art zur Speisung einer Synchronmaschine sind im Handel erhältlich. Ein Beispiel einer solchen, auch als selbstgesteuerte Synchronmaschine bezeichneten Anordnung ist in Figur 1 dargestellt. Ein Stromrichter 6 speist einen Synchronmotor 7, auf dessen Welle ein Rotor-Lagegeber 8 angeordnet ist. Aus dem Rotor-Lagesignal y _ist wird durch einen Umformer 9, beispielsweise einen Differenzierer ein Drehzahl-Istwert n^_st gebildet. Dieser Drehzahl-Istwert n_ist wird mit einer Subtrahierschaltung 1a mit einem Drehzahl-Sollwert n_goll verglichen. Die Differenz zwischen SoIl- und Istwert wird einem Drehzahlregler 1 zugeführt, der PI-Verhalten aufweist. Dem Drehzahlregler 1 ist ein Koeffizientenmultiplizierer 2 nachgeschaltet. Am Ausgang des Koeffizientenmultiplizierers 2 steht der Sollwert für die Amplitude des Wirkstroms ¹Ws₀H ^an· Dieser Sollwert wird einem Vektordreher 3 zugeführt.

An den Steuereingängen des Vektordrehers 3 steht das

Sid 2 Bim / 01.02.1982

' - - %.·-..·■> — - -5203911

- 2T - VPA 82 P 3 0 2 5 DE

Ausgangssignal des Rotor-Lagegebers 8 an. Damit werden drei rotierende Vektoren für die Sollströme I_so11r»

*_3ο1τφ in den einzelnen Phasen der Synchronmaschine gebildet. Der Betrag dieser Vektoren stimmt mit dem Wirkstrom-Sollwert %_soll überein. Die Phasenlage der Vektoren wird durch das Rotor-Lagesignal y * + so gesteuert, daß sie in Phase mit den entsprechenden Polradspannungen der Synchronmaschine liegen, d.h. daß die Sollsi:röme I₃₀₁₁₁₁, I₈₀₁₁₃, "J₈₀₁₁T synchron zu den entsprechenden Polradspannungen sind. Ein Vektordreher der hler benötigten Art ist beispielsweise aus dem Artikel "Das Prinzip der Feldorientierung, die Grundlage für die Transvektor-Regelung von Drehfeldmaschinen" in Siemens-Zeitschrift 45, Oktober 1971, Heft 10, Seiten 757 bis 760 bekannt.

Der so erhaltene dreiphasige Sollwert I_sollR bis Ig₀₁₁^ wird in den Subtrahierstufen 4a bis 4c mit den entsprechenden Istwerten I_1s+r bis I₁ +«, verglichen. Die Stromistwert I_1st werden mit Stromwandlern, die in die Anschlußleitung des Synchronmotors 7 geschaltet sind, • gewonnen. Zur Regelung der Maschinenströme wird die Ausgangsspannung des Stromrichters 6 als Stellgröße verwendet. Dazu werden die Subtraktionsglieder 4a bis 4c über Stromregler 5a bis 5c, deren Ausgänge die Spannungen abbilden, die nötig sind, um die Strom-Soll-Istdifferenz zu Null zu machen, den Steuereingängen des Stromrichters 6 zugeführt. Die Ausgangsspannung des Stromrichters 6 wird in bekannter Weise beispielsweise durch Pulsbreitenmodulation verändert.

In der Praxis wird die Vektordrehung sowie die Stromregelung meist nur für zwei Phasen ausgeführt, da in symmetrischen Drehstromsystemen die Vektorsumme der drei sinusförmigen Phasenströme stets Null ist. Der Stromwert für die dritte Phase kann daher durch Summenbildung der beiden anderen Stromwerte gewonnen werden.

-J- VPA 82 P 3 0 25 DE

Mit der beschriebenen Regeleinrichtung werden also der Synchronmaschine sinusförmige Ströme eingeprägt, die in Phase zur Jeweiligen· induzierten Polradspannung liegen und somit ein maximales Drehmoment erzeugen*

Figur 2 zeigt das für stationäre Vorgänge vereinfachte einphasige Ersatzschaltbild einer Synchronmaschine unter Vernachlässigung der ohmschen Widerstände in der Ständerwicklung und Zusammenfassung der Streureaktanz und der synchronen Reaktanz zur Reaktanz X. Wenn der Strom I in Phase mit der Polradspannung E ist, was durch die dargestellte Regelung sichergestellt wird, so steht die an der Reaktanz X abfallende Spannung im Vektordiagramm senkrecht auf E und der Betrag der an der Synchronmaschine anstehenden Klemmenspannung U^ ergibt sich dann zu:

^υκι ⁼ "ρ+ ^{(Ι χ)2}

2Q Die Polradspannung E ist proportional zur Istdrehzahl ⁿist ^^{er s}y^nclir'^oninascni^ne sowie zur Erregerfeldstärke. Bei gegebenem Strom I und konstanter Erregerfeldstärke ist die Maximaldrehzahl der Synchronmaschine dann erreicht, wenn die Klemmenspannung U^ gleich der höchstmöglichen Ausgangsspannung des Stromrichters 6 wird. Um bei gegebener Grenze der Wechselrichter-Ausgangsspannung die Maximaldrehzahl zu erhöhen, ist es bekannt, die Erregerfeldstärke zu verringern. Dies setzt Jedoch eine eigene Steuereinrichtung für den Erregerstrom voraus und ist z.B. bei permanenterregten Synchronmaschinen unmöglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, wobei die Maximaldrehzahl der Synchronmaschine bei vorgegebener Erregerfeldstärke und Klemmenspannung erhöht wird.

82 P3 0 25DE

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Ist-Drehzahlen iⁿjo+i>ⁿn die Amplitude des Wirkstrom-Sollwerts auf einen zum Faktor n/n_Q umgekehrt proportionalen Wert begrenzt wird und zum Wirkstrom-Sollwert ein gegenüber diesem um plus 90° verschobener Blindstrom-Sollwert addiert wird, dessen Amplitude proportional zu (1 - n_Q/ n^_s^) ist, wobei n_Q ein vorgegebener Drehzahlwert ist, bei dem die Summe der Polradspannung E der Synchronmaschine und des Spannungsabfalls in der Ständerwicklung maximal gleich der größtmöglichen Ausgangsspannung des Stromrichters ist.

Durch die Addition des Blindstrom-Sollwerts wird an der Reaktanz X ein Spannungsabfall erzeugt, der der Polradspannung E entgegen gerichtet ist. Dadurch kann die Polradspannung um diesen Spannungsabfall größer als die Ausgangsspannung des Stromrichters werden. Es ist also eine Steigerung der Maximaldrehzahl der Synchronmaschine möglich. Um mit der Drehzahlerhöhung keinen erhöhten Spannungsabfall an der Reaktanz X durch den Wirkstrom zu bekommen, wird dieser umgekehrt proportional zur Drehzahl verringert.

Vorteilhafterweise ist der Drehzahlwert n« proportional zur Netzspannung des den Stromrichter speisenden Versorgungsnetzes. Der Drehzahlwert n₀, bei dem die Verringerung des Wirkstrom-Sollwerts und Addition des Blindstrom-Sollwerts einsetzt, wird damit an die maximale Ausgangsspannung des Stromrichters angepaßt. 30

Bei einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Drehzahlregler, dem die Abweichung der Istdrehzahl der Synchronmaschine von der Solldrehzahl zugeführt ist und dem über einen ersten Koeffizientenmultiplizierer ein erster Vektordreher nachgeschaltet ist, dessen Steuereingänge mit einem Rotor-Lagegeber verbunden sind, wobei am Ausgang des ersten

VPA 82 P3 025DE

Vektordrehers der Wirkstrom-Sollwert ansteht, ist dem Drehzahlregler vorteilhafterweise ein erster Begrenzer nachgeschaltet, der das Ausgangssignal des Drehzahlreglers auf einen zum Faktor /ⁿi_s-t//ⁿn Umgekehrt proportionalen Wert begrenzt und der Drehzahl-Istwert /n, +/ einem ersten Kennliniengeber zugeführt ist, der daraus eine Größe Lg* bildet, die bei Drehzahl-Istwerten /n_ist/ <nQ gleich Null und bei Drehzahl-Istwerten /n_ist/>n_Q proportional zu (1-n-₎/n_ist) ist, wobei der Ausgang des ersten Kennliniengebers über einen zweiten Koeffizientenmultiplizierer mit einem zweiten Vektordreher verbunden ist, dessen Steuereingänge mit dem Rotor-Lagegeber verbunden sind und dessen Ausgangssignal gegenüber dem Rotor-Lagesignal um 90° gedreht ist, wobei die zugeordneten Ausgänge der beiden Vektordreher mit einem Addierglied verbunden sind, an dessen Ausgang der Strom-Sollwert ansteht.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann damit mit wenigen Elementen realisiert werden.

Zweckmäßigerweise ist der Steuereingang des ersten Begrenzers mit dem Ausgang eines zweiten Kennliniengebers verbunden, an dessen Eingang der Betrag des Drehzahl-Istwerts ansteht, wobei der Kennliniengeber bei Drehzahl-Istwerten /n^ ^/< n_Q ein konstantes Ausgangssignal und bei Drehzahl-Istwerten /n_ist/ > n_Q ein zum Faktor

η /n_Q umgekehrt proportionales Ausgangssignal liefert. Der Begrenzer wird also durch den zweiten Kennliniengeber so gesteuert, daß bei Drehzahl-Istwerten

^{der v}i^rks-t:rom"Sollwert begrenzt wird.

Der zweite Kennliniengeber besteht vorteilhafterweise aus einem ersten Summierverstärker, an dessen invertierendem Eingang der Betrag des Drehzahl-Istwerts ansteht und an dessen nichtinvertierendem Eingang der

' - 0 - VPA 82 P3 0 25 DE

Drehzahlwert η« anstellt, wobei der erste Summierverstärker durch Rückführdioden als Idealgleichrichter geschaltet ist, wobei der Ausgang des ersten Summierverstärkers über einen Widerstand mit einem Eingang eines zweiten Summierverstärkers verbunden ist und wobei an demselben Eingang des zweiten Summierverstär-

. kers der Maximalwert für den Wirkstrom-Sollwert ansteht. Bei einem derartigen Kennliniengeber wird die Funktion';--, t/n--durch eine linear abfallende Funktion angenähert. Diese Annäherung ist jedoch für den in Frage kommenden Drehzahlbereich ausreichend.

Der Begrenzer kann zwei entgegengesetzt gepolte, miteinander verbundene Dioden enthalten, deren Verbindungspunkt über einen Widerstand mit dem Ausgang des Drehzahlreglers verbunden ist und deren zweiter Anschluß direkt bzw. über einen Inverter mit dem Ausgang des zweiten Kennliniengebers verbunden ist. Der Begrenzer kann also mit zwei Dioden ausgeführt werden.

Der erste Kennliniengeber kann einen Summierverstärker enthalten, an dessen nichtinvertierendem Eingang der Betrag des Drehzahl-Istwerts und an dessen invertierendem Eingang der Drehzahlwert nQ ansteht, wobei der Summierverstärker durch Rückführdioden als Idealgleichrichter geschaltet ist und wobei dem Summierverstärker ein Widerstand nachgeschaltet ist, der über eine erste Diode mit dem Betrag des Drehzahl-Istwerts und über einen Impedanzwandler mit dem Ausgang des Kennliniengebers verbunden ist. Ein derartig aufgebguter Kennliniengeber liefert eine Näherungsfunktion für den Faktor (1- n_o/|n_isi./), mit der die gewünschte Funktion jedoch ausreichend genau angenähert werden kann.

-..-...- ·..·.:.- ·..- -'32 03Θ11 -γ- VPA 82 P 3 O 2 5 OE

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens wird nachfolgend beispielhaft anhand der Figuren 2 bis 8 näher erläutert.

Zur Erläuterung des Verfahrens ist in Figur 3 ein Vektordiagramm des Synchronmotors dargestellt. Dabei wird zunächst davon ausgegangen, daß die Synchronmaschine zunächst noch im Normalbetrieb ist, also das erfindungsgemäße Verfahren noch nicht eingesetzt hat. Die Synchronmaschine dreht sich mit der Drehzahl Hq und es fließt ein Strom I_Q in den Ständerwicklungen. Der sich mit der Drehzahl nQ drehende Rotor induziert in der Ständerwicklung die Polradspannung E_Q. Aufgrund der bereits erläuterten Regelung befinden sich der Ständerstrom I_n und die Polradspannung E_n in Phase. Der Strom Iq wird daher im folgenden auch als Wirkstrom bezeichnet. Der Wirkstrom Iq erzeugt an der Reaktanz X einen Spannungsabfall X * Iq, der im Vektordiagramm senkrecht zur Polradspannung Eq liegt. An den Klemmen des Motors steht damit eine Klemmenspannung U_K1 an, die sich durch Addition der Vektoren E₀ und X . Iq ergibt. Diese Klemmenspannung Ur_n weist folgenden Betrag auf:

Ό² ♦ < /I₀N²

Wenn/U^/ die maximal erreichbare Ausgangsspannung des Stromrichters 6 ist, d.h. Iu_1nI= n_vlrna^, so ist die der

_^. JVX 2YXIIIcIX

Polradspannung Eq zugeordnete Drehzahl n_Q gleich der maximal erreichbaren Drehzahl n_Q. Wie sich aus dem Vektordiagramm nach Figur 3 ergibt, ist die erreichbare Drehzahl nQ proportional der maximal möglichen Klemmenspannung Ujn_max· Sie ist außerdem proportional der Erregerfeldstärke der Synchronmaschine. Beide Größen lassen sich jedoch, wie vorausgesetzt, nicht

--44".

--Ji - . VPA 82 P3 0 25 DE

ändern. Ferner besteht eine gewisse Abhängigkeit-der erreichbaren Drehzahl n_n von der Größe des Wirkstroms Iq. Wenn beispielsweise der Statorstrom Iq = O ist, so entfällt der Spannungsabfall an der Reaktanz X und die Polradspannung E₀ kann gleich der maximalen Klemmenspannung UjQ_max werden, d.h. bis auf den Punkt F in Figur 3 wandern. Dies ist mit einer entsprechenden Drehzahlerhöhung verbunden.

Im folgenden soll Jedoch die Abhängigkeit der maximalen

—ν
Drehzahl vom Wirkstrom Iq vernachlässigt werden. Als Drehzahlwert n₀ wird vielmehr ein Festwert gewählt, der beispielsweise dem beim erfindungsgemäßen Verfahren maximal zu erwartenden Ständerstrom I_Q zugeordnet ist. Damit setzt zwar die Wirkstrombegrenzung sowie die Blindstromaddition bei kleineren Drehzahlen etwas früher ein als an sich erforderlich, dies wirkt sich jedoch nur geringfügig auf die Dynamik der Synchronmaschine aus.

-::.,:■

Wenn man die Drehzahl η über n_Q hinaus erhöht, so steigt die Polradspannung E beispielsweise auf den in Figur 3 dargestellten Wert E₁. Proportional mit der Drehzahl steigt auch der Spannungsabfall XI_Q an der Reaktanz X. Die Klemmenspannung U_K1 müßte dazu ohne zusätzliche Maßnahmen bis zu dem in Figur 3 mit A bezeichneten Punkt ansteigen, was jedoch aus den dargelegten Gründen nicht möglich ist. Um auch bei der dargestellten Polradspannung E₁ nur auf die Klemmenspannung UjQ_max zu kommen, wird zunächst der Wirkstrom auf einen Wert ϊ^_ν reduziert. Dieser ist so gewählt, daß der Spannungsabfall I_{1 v} trotz der bei der höheren Drehzahl höheren Reaktanz X₁ gleich dem Spannungsabfall XIq bei der Drehzahl n_Q bleibt. Dazu wird der Wirkstrom I_w über der Drehzahl n_Q umgekehrt proportional zum Faktor n/nQ begrenzt. Damit gelangt man zum Punkt B im Vektordiagramm. Außerdem wird zum Strom I_{1 w}, der wie der

- /- VPA 82 P3 0 25 DE

Strom Iq in Phase zur Polradspannung E liegt und damit ein reiner Wirkstrom ist, ein Blindstrom I_-. „ addiert, der der Polradspannung E um 90° voreilt. Dieser Blindstrom""?^ erzeugt an der Reaktanz X ebenfalls einen Spannungsabfall Ug_x, der gegenüber dem Blindstrom I₁« °

g_{x 1}

um 90° und damit gegenüber der Polradspannung E um 180° verschoben ist. Der durch den aufaddierten Blindstrom Ij,tj erzeugte Spannungsabfall ϋ_ΏΥ ist also der Polradspannung E entgegengerichtet. Der BlindstromanteilLJg ist so gewählt, daß der dadurch bedingte Spannungsabfall Ug_x gerade die Zunahme der Polradspannung ,ΔΕ aufgrund der Drehzahlerhöhung über n_Q hinaus kompensiert. Wenn also L die Summe von Streuinduktivität und synchroner Induktivität ist und die Polradspannung~E gleich ρ χ η ist, so ergibt sich folgender Zusammenhang:

I_B«2frn*L = p(n- n_Q) ²⁰

B 2TTL ^u η

Der Blindstromanteil I_ß muß also proportional zu 1- Πφ/η gewählt werden.

Der Wirkstrom I_w muß, wie bereits erläutert, über der Drehzahl nQ umgekehrt proportional zum Wert η begrenzt werden.

Die bisher dargestellten Überlegungen gelten für den Motorbetrieb. Diese lassen sich jedoch analog auch für den im rechten Teil des Diagramms nach Figur 3 dargestellten Generatorbetrieb anwenden, wobei lediglich der Wirkstrom I₁^, ein entgegengesetztes Vorzeichen auf weist, während der Blindstrom~ΐ^_Β, sein Vorzeichen behält.

- VPA 82 P 3 0 2 5 DE

Mit dein dargestellten Verfahren gelingt es also, bei vorgegebener Erregerfeldstärke und Versorgungsspannung die Maximaldrehzahl der Synchronmaschine zu erhöhen. Eine Grenze für die Drehzahlerhöhung ist dadurch gegeben, daß mit abnehmendem Wirkstrom natürlich auch das Drehmoment der Synchronmaschine abnimmt. Mit abnehmendem Drehmoment wird damit auch das Beschleunigungsvermögen der Synchronmaschine geringer, so daß diese im höheren Drehzahlbereich eine schlechtere Dynamik aufweist. Diese Einschränkungen stören jedoch nicht bei Antrieben, beispielsweise bei Vorschubantrieben von Werkzeugmaschinen, die in einem sogenannten Eilgang weitgehend unbelastet betrieben werden. Bei Versuchen wurde ohne weiteres eine Erhöhung der Maximaldrehzahl um den Faktor 2 erreicht. Der die Synchronmaschine speisende Stromrichter 6 muß selbstverständlich für die Belastung durch den zusätzlichen Blindstrom ausgelegt sein und die Strombelastbarkeit der Synchronmaschine darf nicht überschritten werden, um eine thermische Überlastung der Synchronmaschine zu vermeiden.

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist in Figur 4 dargestellt. Dabei wird wie bei der bekannten Schaltung nach Figur 1 in einer Subtraktionsschaltung 1a die Differenz zwischen Drehzahl-Sollwert ⁿsoll u*¹** Drehzahl-Istwert n_is-t gebildet. Diese Differenz wird über einen Drehzahlregler 1 und einen Koeffizientenmultiplizierer 2 einem Vektordreher 3 zugeführt, der mit dem Ausgangssignaly _is<t des Rotor-Lagegebtra gesteuert wird. Das Ausgangssignal des Vektordrehers 3 liegt in Phase mit dem Lage-Istwert § ist' ^{was durcl1} die Bezeichnung 0° im Schaltsymbol des Vektordrehers 3 gekennzeichnet ist. In diesem Zweig liegt der einzige Unterschied zur bekannten Anordnung darin, daß zwischen Drehzahlregler 1 und Koeffizientenmultiplizierer 2 ein Begrenzer 10

ΤΪ03911

- yi - VPA 82 P 3 O 2 5 DE

eingefügt ist, der entsprechend dem beschriebenen Verfahren das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 1 bei Istdrehzahlen /ⁿ±_s^^^{> n}Q umgekehrt proportional zum Faktor/ n_ist//n₀ begrenzt. Der Begrenzer* 1Ö wird durch einen Kennliniengeber 17 gesteuert, der das entsprechende Begrenzungssignal liefert. Dazu wird dem Kennliniengeber 17 der Drehzahl-Istwert n. + über einen Betragsbildner 18, der negative Istwerte in positive Istwerte umwandelt, als Eingangsgröße In^ +/ zugeführt.

Der Einsatzpunkt n_Q kann entweder fest vorgegeben werden oder - bei variabler Netzspannung - von dieser abhängig gemacht werden. Da die Drehzahlgrenze der Synchronmaschine ohne Zusatzmaßnahmen proportional zur Netzspannung U« ist, wird ein Meßwert für die Netzspannung U^ über einen Koeffizientenmultiplizierer 19ι an dessen Ausgang der Einsatzpunkt ng ansteht, einem Parametereingang des Kennliniengebers 17 zugeführt.

Die Schaltung weist einen zweiten Zweig auf, in dem ein Blindstromanteil für den Strom-Sollwert I₃₀₁^ gebildet wird. Dieser zweite Zweig enthält einen Kennliniengeber 11, der über einen Koeffizientenmultiplizierer 12 mit dem Eingang eines zweiten Vektordrehers 13 verbunden ist. Der zweite Vektordreher 13 kann ebenfalls wie in dem genannten Artikel in Siemens-Zeitschrift, Oktober 1971, Heft 10, Seiten 757 bis 760 dargestellt, aufgebaut sein. Das Ausgangssignal des Vektordrehers 13 weist jedoch gegenüber dem Lage-Istwert ^ _ist eine Phasenverschiebung von 90° auf. Dies kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß bei der bekannten Schaltung nach Bild 7 der genannten Literaturstelle die Eingänge für siny und cos^ vertauscht werden und der Eingang für cos j) mit dem Inverter 13a invertiert wird, da sin (90° + J) ) » cos j und cos (90° +f ) = -sin j . Die am Ausgang des Vektordrehers 13 anstehenden Blindstrom-Sollwerte für die einzelnen Phasen werden je. einem Summierer 14 bis 16 zugeführt, an

ν - W- - VPA 82 P 3 0 2 5 DE

dessen Eingang jeweils der Wirkstrom-Sollwert für die betreffende Phase ansteht. Am Ausgang der Summierer 14 bis 16 steht Jeweils der zusammengesetzte Strom-Sollwert *söiiR-k*^{s 1}SoIlT ^^{ür die einzelnen} Phasen an.

Diese werden, wie bei der bekannten Schaltung -.nach Figur 1, zur Stromregelung verwendet, wobei der Strom-Regelkreis in Figur 4 nicht mehr dargestellt ist..

Dem Kennliniengeber 11 wird als Eingangsgröße ebenfalls der Betrag des Drehzahl-Istwerts n* + zugeführt und als Parameter ebenfalls der Einsatzpunkt n_Q. Die Kennlinie des Kennliniengebers 11 müßte an sich, wie erläutert, der Funktion (1- Πζ/η^), wie sie in Figur 5 dargestellt ist, entsprechen. In dem hier interessierenden Bereich kann sie jedoch durch zwei Geraden, von denen eine durch den Nullpunkt und die zweite durch den Einsatzpunkt n_Q läuft, angenähert werden. Diese Annäherung wird dadurch realisiert, daß in einem Teil 11a des Kennliniengebers 11 zunächst die Gerade A in Abhängigkeit von der, Drehzahl /-n_ist / und vom Einsatzpunkt n_Q realisiert wird. Das Ausgangssignal des Kennliniengeberteils 11a wird dann mit einem nachgeschalteten Begrenzer 11b entsprechend der Kennlinie B begrenzt. Damit wird also bis zum Schnittpunkt der beiden Kennlinien A, B, die Kennlinie A und dann die Kennlinie B wirksam.

In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel für den Kennliniengeber 11 dargestellt. Die Werte n_Q und /n_igt/ werden über Widerstände 11d, 11e den Eingängen eines Operptiojqsverstärkers 11c zugeführt. Dabei liegt das Signal /n^_s^./ am nichtinvertierenden Eingang, der zusätzlich über einen Widerstand 11f an Masse liegt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 11c ist über eine Diode 11k, deren Anode dem Ausgang des Operationsverstärkers 11c zugewandt ist, mit seinem invertierenden Eingang verbunden. Außerdem ist der Ausgang des

- γ> - VPA 82 P 3 0 2 5 DE

Operationsverstärkers 11c über eine Diode 111, einen Widerstand 11h und einen Impedanzwandler 111 mit dem Ausgang des Kennliniengebers 11 verbunden. Der Verbindungspunkt von Diode 111 und Widerstand 11h ist außerdem über einen weiteren Widerstand 11g mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 11c verbunden. Mit diesem Teil des Kennliniengebers 11 wird also ein Ausgangssignal gebildet, das der Differenz /n^_s^~ ⁿo propotional ist, d.h. der Kennlinie A entspricht. Mit den Rückführdioden 11k und 111 wird . ein Idealgleichrichter gebildet, der den unerwünschten negativen Bereich der Kennlinie abschneidet.

Zur Begrenzung des Ausgangssignals entsprechend der Kennlinie B ist der Verbindungspunkt zwischen Widerstand 11h und Impedanzwandler 11i über eine weitere Diode 11m mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 11n verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 11n ist mit dem Verbindungspunkt von Widerstand 11h und Impedanzwandler 11i verbunden und am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 11n steht der Betrag des Drehzahl-Istwerts n_is-t an. Mit diesem Operationsverstärker 11n und der Diode 11m wird eine Ideal-Diode ohne Schwellwert realisiert, die leitend wird, sobald die Spannung am Verbindungspunkt von Widerstand 11h und Impedanzwandler 11i größer wird als der Betrag des Drehzahl-Istwerts /n- ^/ Damit wird also das Ausgangssignal entsprechend der Kennlinie B auf einem zum Drehzahl-Istwert In- +I proportionalen Wert begrenzt.

Ein Ausführungsbeispiel für den Kennliniengeber 17 und den Begrenzer 10 ist schließlich in Figur 7 dargestellt. Dabei ist der Betrag des Drehzahl-Istwerts /n. ,/ über einen Widerstand 17b mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 17a und der Drehzahlwert n_Q über einen Widerstand 17c mit dem

- 1Λ - VPA 82 P 30 2 5DE.

niehtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17a verbunden. Der nichtinvertierende Eingang ist außerdem über einen Widerstand 17d mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung verbunden. Der Operationsverstärker 17a weist als Rückführung eine Diode 17f zwischen seinem Ausgang und seinem invertierendem Eingang auf, wobei die Anode der Diode 17f mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 17a verbunden ist. Dem Ausgang des Operationsverstärkers 17a ist eine Diode 17g nachgeschaltet, deren Kathode mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 17a verbunden ist. Die Anode der Diode 17g ist über einen Widerstand 17e mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17a verbunden. Mit diesem als Ideal-Gleichrichter geschalteten Operationsverstärker 17a wird die Differenz n_Q -I^iq^I gebildet, wobei nur negative Werte übertragen werden. Wenn der Drehzahl-Istwert / n^g-^/ also unter dem Drehzahlwert n_Q liegt, ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 17a O. Wenn /n_ist/ über dem Einsatzpunkt n_Q liegt, erhält man eine Kennlinie mit negativer Steigung. Um daraus den gewünschten Kennlinienverlauf zu erzeugen, muß noch ein konstanter Wert I_max addiert werden, der dem maximalen Stromsollwert entspricht. Dies erfolgt mit einem wateren Operationsverstärker 17,, dessen invertierender Eingang über einen Widerstand 11h mit der Diode 11g und über einen Widerstand 171 mit dem Wert I_max verbunden ist. Der Operationsverstärker 17k weist einen Rückführwiderstand 17i zwischen seinem Ausgang und seinem invertierenden Eingang auf. Am Ausgang des Oper%%ipnsverstärkers 17k steht also eine Spannung an, die gleich I_max ist, solange /n_ist/<n_Q und gleich

¹JiIaX " (ⁿist " ⁿ0^' ^wenn ^ⁿist^^>nO* ^{mt dem Deschrie}~ benen Kennliniengeber 17 wird die an sich gewünschte exakte Funktion V/n_ist/ in dem interessierenden Bereich ausreichend angenähert.

32Ό3911

- /5 - VPA 82 P 3 0 2 5 DE

Der Ausgang des Kennliniengebers 17 ist mit dem Eingang der Begrenzerschaltung 10 verbunden. Diese enthält zwei Idealdiodenschaltungen, die jeweils aus der Reihenschaltung eines OperationsvefötiäPiirs 10a bzw. 10c und einer Diode 10b bzw. 10d bestehen. Der zweite Anschluß der Diode 10b bzw. 10d ist jeweils mit dem invertierenden Eingang des zugeordneten Operationsverstärkers 10a bzw. 10c verbunden. Die dem Ausgang des Operationsverstärkers 10a bzw. 10c abgewandten Anschlüsse der Dioden 10b bzw. 1Od sind in einem Verbindungspunkt miteinander verbunden, wobei die beiden Dioden 10b bzw. 1Od entgegengesetzt gepolt sind. Das zu begrenzende Ausgangssignal des Drehzahlreglers 1 ist über einen Widerstand 1Of dem Verbindungspunkt der beiden Dioden 10b bzw. 1Od zugeführt. Das Ausgängssignal des Kennliniengebers 17 ist dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 10c direkt und dem nichtinvertierenden Eingang des Operations-Verstärkers 10a über einen Inverter 1Oe zugeführt. Solange das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 1 zwischen dem Ausgangssignal des Kennliniengebers 17 und dessen invertiertem Wert liegt, sperren die beiden Idealdiodenschaltungen 10a, 10b bzw. TQc, 1Od, so daß das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 1 unverändert auf dem Ausgang des Begrenzers 10 übertragen wird. Wenn jedoch das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 1 den Bereich verläßt, so wird eine der beiden Dioden 10b bzw. 1Od durch den zugeordneten Operationsverstärker 10a bzw. 10c leitend gesteuert und das Ausgangs- signal des Begrenzers 10 wird auf das Ausgangssignal des Kennliniengebers 17 begrenzt.

Ein Ausführungsbeispiel für die Vektordreher 3 und ist in Figur 8 dargestellt. Definitionsgemäß sollen die Werte Iw_soi π ^{unci 1}BsOlI ^als Vektoren betrachtet werden, die in X-Richtung liegen und zur Bildung eines

"32Ό39ΊΪ

;^Τ VPA 82 P3 0 2 5 DE

DrehfeXdes in rotierende Vektoren umzuwandeln sind. Dabei ist der Blindstrom-Sollwert Ig₈₀₁₁ gegenüber dem Wirkstrom-Sollwert Iy₃₀₁₁ um +90° zu drehen. Ein um die X-Achse um den Winkel y> gedrehter Vektor weist nach den trigonometrischen Gleichungen im kartesischen Koordinatensystem folgende Komponenten auf:

* ^cos '#■■

Wenn man einen derartigen Vektor nochmals um 90° dreht, so erhält man:

¹SoIlX ""¹SOlI'
¹SOlIY ^{= 1}SOlI '

Zur Vektordrehung muß also der Sinus und der Cosinus des vom Lagegeber 8 digital vorgegebenen Lagemeßsignals y^g-j- gebildet werden. Dies erfolgt z.B. mit je einem Festwert-Speicher 20 bzw. 21, an dessen Adreßeingang der Lage-Istwert J> . , ansteht. Damit werden im Festwert-Speicher 20 bzw. 21 die diesem Lage-Istwert y_igt zugeordneten Werte von ooay?_is^ bzw. sinji?^_s^ adressiert und am Ausgang digital abgegeben. Der Ausgang des Festwert-Speichers 20 ist mit einem multiplizierenden Digital-Analog-Wandler 3a und der Ausgang des Festwert-Speichers 21 ist mit einem multiplizierenden Digital-Analog-Wandler 3b verbunden. Am Multiplikations eingang der beiden Digital-Analog-Wandler 3a und 3b stej^t Ii^QjLIs der analoge Wirkstrom-Sollwert Iy₃₀₁₁ ^an# Damit wird also mit dem Digital-Analog-Wandler 3a das Produkt Iy₃₀₁₁ ⁰⁰³^iSt ¹^ ^{mit dem Di}8ⁱ'^tal"^Analog~ Wandler 3b das Produkt I^ ,, siny>>„+ gebildet. Am Ausgang desDigital-Analog-Wandlers 3a steht damit

32Ü3911

- ft - VPA 82 P 3 O 2 5 DE

die X-Komponente und am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 3b die Y-Komponente des gedrehten Wirkstrom-Vektors IJ₈₀₁₁ an.

Zur Drehung des Blindstrom-Vektors Ig₃₀₁₁ ist der Ausgang des Festwert-Speichers 20 mit dem Eingang eines multiplizierenden Digital-Analog-Wandlers 13b und der Ausgang des Festwert-Speichers 21 mit dem Eingang eines multiplizierenden Digital-Analog-Wandlers 13a des zweiten Vektordrehers 13 verbunden. An den Multiplikationseingängen der Digital-Analog-Wandler 13a und 13b steht jeweils der analoge Wert Ig₃₀₁₁ an. Damit wird also mit dem Digital-Analog-Wandler 13a das Produkt ^"Bsoll ^s*ⁿi^ist' ^also ^^θ X-Komponente des gedrehten Blindstrom-Vektors Ι]3_3θ11χ gebildet. Mit dem Digital-Analog-Wandler 13b wird das Produkt Ig₃₀₁₁ ^cos f±sf also die negative Y-Komponente des gedrehten Blindstrom-Vektors -¹B₃Q₁₁Y gebildet.

Die X- und Y-Komponenten des Wirkstrom-Vektors Ι^_3θ11χ bzw. Ity_sollY und des Blindstrom-Vektors Iu₃₀₁₁X bzw. Ig τηγ werden jeweils mit den Summierern 14 bzw. 15 addiert, wobei die Komponente -I_{ß ο11}γ einem Subtrahiereingang des Summierers 15 zugeführt ist. Am Ausgang des Summierers 14 steht die X-Komponente des gesamten Strom-Sollwerts Ι_5θ11χ und am Ausgang des Summierers 15 dessen Y-Komponente Ι_3θ11γ an.

Diese zweiphasigen Größen müssen nun noch mit einem Koordinatenwandler 22 in ein dreiphasiges System I_so11r» I_sollo und Igon-iT umgewandelt werden. Ein derartiger Koordinatenwandler ist beispielsweise auf Seite 7 der am 02.09.1981 veröffentlichten europäischen Patentanmeldung 81101184 beschrieben.
35

8 Figuren

7 Patentansprüche

Claims (4)

1. VPA 82 P3 0 25 DE Patentansprüche

   Mv) Verfahren zur Erhöhung der Maximaldrehzahl einer Synchronmaschine mit konstanter Erregerfeldstärke mit einem vorgeschalteten Stromrichter, dem ein Wirkstrom-Sollwert vorgegeben wird, dessen Phasenlage in Abhängigkeit von der Lage des Rotors der Synchronmaschine geregelt wird und dessen Amplitude in Abhängigkeit von einem Drehzahl-Sollwert geregelt wird, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß bei Ist-Drehzahlen /n, ^>n_Q die Amplitude (^β_Οιι) des Wirkstrom-Sollwerts (%_soxi) ^auf> einen zum Faktor /n^/nQ umgekehrt proportionalen Wert begrenzt wird und zum Wirkstrom-Sollwert: ( I^ ^ ) ein gegenüber diesem um + 90° verschobener Blindstrom-Sollwert (^bsoII^ ^addiert wird,

   dessen Amplitude proportional zu (1-,__JL,) ist, wobei

   ist; (iIq-) ein vorgegebener Drehzahlwert ist, bei dem die Summe der Polradspannung (E) der Synchronmaschine und des Spannungsabfalls in der Ständerwicklung maximal gleich der größtmöglichen Ausgangsspannung (UjQ_max) des Stromrichters (6) ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlwert (n ) proportional zur Netzspannung (U_n) des den Stromrichter (6) speisenden Versorgungsnetzes ist.
3. 3. Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Drehzahlregler, dem die Abweichung der Ist-Drehzahl der Synchronmaschine von der Spüdrehzahl zugeführt ist und dem über einen ersten Koeffizientenmultiplizierer ein erster Vektordreher nachgeschaltet ist, dessen Steuereingänge mit einem Rotor-Lagegeber verbunden sind, wobei am Ausgang des ersten Vektordrehers der Wirkstrom-Sollwert ansteht, dadurch gekennzeichnet, daß

   VPA 82 P 3 0 2 5 DE

   dem Drehzahlregler (1) ein erster Begrenzer (10) nachgeschaltet ist, der das Ausgangssignal des Drehzahlreglers (1) auf einen zum Faktor ( /n^_s^l Aiq) umgekehrt proportionalen Wert begrenzt und daß u&t Drehzahl-Istwert (/n_ig+/) einem ersten Kennliniengeber (11) zugeführt ist, der daraus eine Größe (I_ß*) bildet, die bei Drehzahl-Istwerten (/ n_ijgt / < n_Q) gleich Null und bei Drehzahl-Istwerten (/n^_s^./ >V-q) proportional zu

   ⁿO
   (1- ) ist, daß der Ausgang des ersten Kennlinien-

   ¹^ gebers (11) über einen zweiten Koeffizientenmultiplizierer (12) mit einem zweiten Vektordreher (13) verbunden ist, dessen Steuereingänge mit dem Rotor-Lagegeber (8) verbunden sind und dessen Ausgangssignal gegenüber dem Rotor-Lagesignal um 90° gedreht ist und

   '* daß die zugeordneten Ausgänge der beiden Vektordreher (3, 13) mit je einem Addierglied (14, 15) verbunden sind, an dessen Ausgang der Stromsollwert (I ,,) ansteht.

   *®
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß der Steuereingang des ersten Begrenzers (10) mit dem Ausgang eines zweiten Kennliniengebers (17) verbunden ist, an dessen Eingang der Betrag des Drehzahl-Istwerts (ln,_B+l) ansteht, wobei

   pc ISX

   *-> der zweite Kennliniengeber (17) bei Drehzahl-Istwerten (fau ./>η₀) ein zum Faktor ( -^)umgekehrt proportionales Ausgangssignal abgibt.

   5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ^⁰ gekennzeichnet, daß der zweite Kennliniengeber (17) aus einem ersten Summierverstärker (17a) besteht, an dessen invertierendem Eingang der Betrag des Drehzahl-Istwerts (ln*₃^l) ansteht und an dessen nichtinvertierendem Eingang der Drehzahlwert (n^) ansteht, daß der erste Summierverstärker (17a) durch Rückführdioden (17g, 17f) als Idealgleichrichter geschaltet ist,

   ' ^* VPA 82 P3 0 25 DE

   daß der Ausgang des ersten Summierverstärkers (17a) über einen Widerstand (17h) mit einem Eingang eines zweiten Summierverstärkers (17k) verbunden ist und daß an demselben Eingang des zweiten Summierverstärkers (17k) der Maximalwert für den Wirkstrom-Sollwert ( ansteht,

   6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5>

   d a d u rc h gekennzeichnet, daß der Begrenzer (10) zwei entgegengesetzt gepolte, miteinander verbundene Dioden (10a, 10b; 10c, 1Od) enthält, deren Verbindungspunkt über einen Widerstand (1Of) mit dem Ausgang des Drehzahlreglers (1) verbunden ist und deren zweiter Anschluß direkt bzw. über einen Inverter (1Oe) mit dem Ausgang des zweiten Kennliniengebers (17) verbunden ist.

   7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kennliniengeber einen Summierverstärker (11c) enthält, an dessen nichtinvertierendem Eingang der Betrag des Drehzahl-Istwerts ( n, + ) und an dessen invertierendem Eingang der Drehzahlwert (n^O ansteht, daß der Summierverstärker (He) durch Rückführdioden (11k,

   111) als Idealgleichrichter geschaltet ist und daß dem Summierverstärker (11c) ein Widerstand (11h) naohgeschaltet ist, der über eine erste Diode (11m) mit dem Betrag des Drehzahl-Istwerts ( n* +) und über einen Impedanzwandler (11i) mit dem Ausgang des Kennliniengebers verbunden ist.